環(huán)境應(yīng)力對裝備質(zhì)量的影響及應(yīng)對措施＊

王文智 張尊偉

（1.中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 西安 710119）（2.東北電子技術(shù)研究所 錦州 121000）

1 引言

長期以來，重功能輕質(zhì)量，功能設(shè)計(jì)與質(zhì)量設(shè)計(jì)嚴(yán)重脫節(jié)的現(xiàn)象貫穿了裝備研制的全過程。該種研制模式（或思維方式）造成了裝備可靠性低、故障多、維修頻繁、維修工作量大、維修費(fèi)用高等方面問題，并導(dǎo)致裝備列裝后遲遲不能形成戰(zhàn)斗力。上世紀(jì)80年代以來，隨著我軍數(shù)種主戰(zhàn)裝備先后投入研制，裝備質(zhì)量問題受到軍方和研制單位的高度重視，功能與質(zhì)量一體化設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)措施已逐步得到推廣，并廣泛應(yīng)用于裝備的研制過程中，使我軍裝備質(zhì)量有了較大的提高。

2 環(huán)境應(yīng)力對裝備質(zhì)量的影響

由于裝備應(yīng)用環(huán)境[1]的復(fù)雜性和特殊性，裝備質(zhì)量、可靠性及戰(zhàn)備完好性受到眾多因素的影響。在影響裝備質(zhì)量與可靠性的諸多因素中，環(huán)境對裝備來說是一個(gè)無法回避，必須加以考慮和重視的因素，下面僅對幾種環(huán)境因素對裝備質(zhì)量的影響展開討論。

2.1 高溫環(huán)境

高溫環(huán)境對裝備質(zhì)量的影響主要有以下幾個(gè)方面：

2.1.1 材料膨脹系數(shù)的影響

由于各種材料的膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致材料變形程度不同。如果膨脹系數(shù)差別較大的材料以不同方式結(jié)合在一起，在溫度發(fā)生變化時(shí)由于材料變形程度不同，將在材料間和結(jié)合方式上形成拉力或扭力，造成材料或結(jié)合方式的損壞，從而引起裝備故障。

應(yīng)用于某裝備的金屬封裝的大規(guī)模表貼集成電路裝焊到印制板（為非金屬材料）表面，環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，集成電路與印制板將產(chǎn)生不同程度的變形，集成電路與印制板間將通過連接方式（管腳和焊錫）產(chǎn)生一種拉力，該拉力將作用到集成電路、印制板間、管腳和焊錫四者之間，由于該拉力長期、持續(xù)的作用，導(dǎo)致焊錫疲勞并出現(xiàn)開焊現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致裝備故障。

2.1.2 元器件電參數(shù)變化的影響

裝備中所使用的各種元器件不同程度的損耗電能，并將電能轉(zhuǎn)化成熱能。該熱能將導(dǎo)致元器件溫度上升，并使元器件電參數(shù)發(fā)生變化，最終影響裝備的電性能（例如：晶體管、集成電路中的PN結(jié)在高溫狀態(tài)下阻值變大在通過相同電流的情況下，產(chǎn)生的熱量較大，結(jié)溫升高，電阻值再變大，結(jié)溫再升高，最終燒毀PN結(jié)，導(dǎo)致器件損壞并影響裝備質(zhì)量）。

2.2 低溫環(huán)境

低溫環(huán)境對裝備質(zhì)量的影響主要有以下幾個(gè)方面：

2.2.1 非金屬材料的影響

·低溫環(huán)境下裝備中所用的非金屬材料彈性降低，并產(chǎn)生破裂，可能導(dǎo)致以該非金屬材料為絕緣材料的絕緣功能降低或喪失，裝備功能部件出現(xiàn)短接，導(dǎo)致裝備故障；

·低溫環(huán)境下裝備中所用的非金屬密封墊圈等柔韌性材料的彈性降低，并產(chǎn)生破裂，可能導(dǎo)致以該非金屬材料為密封材料的密封功能降低或喪失，裝備整體密封功能下降，導(dǎo)致裝備故障；

·低溫環(huán)境下裝備中所用的非金屬彈性降低，并產(chǎn)生破裂，可能導(dǎo)致以該非金屬材料為絕緣介質(zhì)的部件或元器件絕緣介質(zhì)功能降低或喪失，高壓部件或元器件發(fā)生放電而產(chǎn)生高壓脈沖，該高壓脈沖以輻射和傳導(dǎo)方式引入低壓電路中并燒毀低壓電路，導(dǎo)致裝備故障；

·低溫環(huán)境下裝備中所用的非金屬材料彈性降低，可能導(dǎo)致以該非金屬材料為主要功能部件的受力能力降低，該部件在承受相同外力時(shí)產(chǎn)生破裂，導(dǎo)致裝備故障。

2.2.2 元器件電參數(shù)變化的影響

·低溫環(huán)境下裝備中所用的晶體管、集成電路PN結(jié)中電子活躍程度降低，形成的電流降低，驅(qū)動能力下降，導(dǎo)致裝備功能喪失；

·低溫環(huán)境下裝備中所用的電阻阻值增大，提供的電流變小驅(qū)動能力下降，導(dǎo)致裝備功能喪失；

·低溫環(huán)境下裝備中各功能部件參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致對電能的需求增加，在裝備電源設(shè)計(jì)容量偏小的情況下將形成保護(hù)模式，導(dǎo)致裝備功能喪失；

·低溫環(huán)境下裝備中各功能部件參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致對電能的需求增加，為保證裝備正常工作，功率器件將增加功率輸出，如此該器件將產(chǎn)生較大的熱量，使結(jié)溫升高，燒毀PN結(jié)，器件損壞，導(dǎo)致裝備功能喪失。

2.3 振動環(huán)境

振動環(huán)境對裝備質(zhì)量的影響主要有以下幾個(gè)方面：·振動環(huán)境對裝備結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響主要是變形、彎曲、裂紋、斷裂等；

·振動環(huán)境對裝備工作性能的影響主要是使動作部件工作不正常（如繼電器產(chǎn)生誤動作）；

·使體積較大、重量較重的元器件管腳斷裂；

·連接導(dǎo)線與機(jī)箱或?qū)Ь€之間產(chǎn)生摩擦而損壞，從而導(dǎo)致工作不正常、不穩(wěn)定、甚至不能工作；

·振動環(huán)境對裝備工藝質(zhì)量的影響主要是緊固件松動、連接件和焊點(diǎn)脫開等。

2.4 低氣壓環(huán)境

低氣壓環(huán)境主要考核裝備中使用的元器件氣密特性及對裝備功能的影響。因此，按裝備使用元器件類型低氣壓環(huán)境對裝備質(zhì)量的影響主要有以下幾個(gè)方面：

2.4.1 繼電器

非固態(tài)繼電器一般由線圈、數(shù)組觸點(diǎn)組成，通過線圈工作方式的變化而改變數(shù)組觸點(diǎn)接通和斷開狀態(tài)。一般情況下，該器件相關(guān)觸點(diǎn)與電源連接，觸點(diǎn)間的通／斷將形成一種充放電模式。在非密封狀態(tài)下可能產(chǎn)生火花和高溫進(jìn)而產(chǎn)生氧化，最終導(dǎo)致器件失效。

2.4.2 高壓線包

絕緣介質(zhì)的質(zhì)量將影響高壓線包的質(zhì)量。一般情況下高壓線包所灌封的材料既起到固定線圈的作用，又作為線圈的絕緣介質(zhì)。如果灌封存在問題（材料的均勻性、灌封的氣密性、線圈排布的均勻性等方面），在正常大氣條件下，空氣亦是高壓線包的線圈之間或線圈與機(jī)箱之間的絕緣介質(zhì)，在一定程度上彌補(bǔ)高壓線包絕緣性能的不足，輔助阻止高壓線包產(chǎn)生放電現(xiàn)象的產(chǎn)生；在低氣壓條件下，將出現(xiàn)真空狀態(tài)，高壓線包的絕緣特性降低，將可能導(dǎo)致高壓線包線圈間或線圈與機(jī)箱間的擊穿并產(chǎn)生放電現(xiàn)象，高壓線包產(chǎn)生的放電將形成高壓脈沖，該高壓脈沖以輻射和傳導(dǎo)方式引入低壓電路中并燒毀低壓電路，導(dǎo)致裝備故障。

2.4.3 高壓器件

高壓器件內(nèi)部一般充有惰性氣體或灌封其它絕緣介質(zhì)。一般情況下，高壓器件內(nèi)部各引線間的壓差較大（特別是近距離壓差較高的管腳）。在低氣壓環(huán)境條件下，絕緣介質(zhì)發(fā)生變化、絕緣性能降低時(shí)，可能產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象并使器件失效，導(dǎo)致裝備故障。

3 應(yīng)對措施

針對上述幾種主要環(huán)境因素對裝備質(zhì)量的影響，在裝備研制中應(yīng)采用如下各項(xiàng)質(zhì)量控制措施和可靠性設(shè)計(jì)措施，以保證裝備質(zhì)量[2]。

3.1 可靠性設(shè)計(jì)與分析

裝備可靠性工作[3]應(yīng)包括可靠性分析和可靠性設(shè)計(jì)兩部分。鑒于可靠性設(shè)計(jì)方法在眾多可靠性設(shè)計(jì)文件均有介紹，本文只對可靠性分析工作加以闡述?？煽啃苑治龉ぷ鹘⒃谘b備功能需求分析及功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過對裝備功能需求及功能設(shè)計(jì)進(jìn)行可靠性分析，發(fā)現(xiàn)裝備在總體功能和功能設(shè)計(jì)上存在的質(zhì)量問題，并據(jù)此指導(dǎo)裝備總體功能和功能設(shè)計(jì)的改進(jìn)設(shè)計(jì)[4]?？煽啃苑治雠c裝備功能設(shè)計(jì)是往復(fù)循環(huán)的過程，在裝備研制的各個(gè)階段均開展可靠性分析工作，并指導(dǎo)裝備功能設(shè)計(jì)的改進(jìn)工作?？煽啃苑治觯ㄖ饕槍ρb備的電氣性能）工作主要有如下兩方面：

3.1.1 可靠性預(yù)計(jì)

一般情況下，裝備可靠性均有定量要求。通過對裝備功能設(shè)計(jì)開展可靠性預(yù)計(jì)[5]工作，發(fā)現(xiàn)裝備功能設(shè)計(jì)是否滿足可靠性定量指標(biāo)要求。通過可靠性預(yù)計(jì)，裝備不滿足可靠性指標(biāo)要求時(shí)，需對功能設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。改進(jìn)設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)方式有：開展環(huán)境設(shè)計(jì)，改善裝備環(huán)境質(zhì)量（針對低溫環(huán)境開展升溫設(shè)計(jì)，針對高溫開展通風(fēng)冷卻設(shè)計(jì)及相關(guān)散熱設(shè)計(jì)）；開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分利用各元器件資源實(shí)現(xiàn)多功能共用，并選用高性能元器件，減少元器件數(shù)量；開展集成化設(shè)計(jì)，優(yōu)化裝備構(gòu)成，減少元器件數(shù)量，并提高設(shè)計(jì)、工藝質(zhì)量；提高元器件質(zhì)量等級，以提高元器件抗惡劣環(huán)境的能力。

3.1.2 故障模式影響及危害度分析

故障模式影響及危害度分析方法是近期裝備研制過程中普遍要求的一種可靠性、安全性分析方法。該種分析方法重點(diǎn)突出各種故障方式對裝備的影響程度，并根據(jù)分析結(jié)果要求裝備改進(jìn)設(shè)計(jì)以消除或降低該種故障模式對裝備的影響程度。故障模式影響及危害度分析方法以裝備元器件失效率為基礎(chǔ)，結(jié)合元器件對裝備功能影響程度開展分析，并根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)裝備改進(jìn)功能設(shè)計(jì)的工作[6]。對于單點(diǎn)（不允許開展冗余設(shè)計(jì)）、危害等級較大的故障，應(yīng)提高元器件質(zhì)量等級并進(jìn)一步開展降額設(shè)計(jì)工作。對于單點(diǎn)、危害等級較大的故障，開展冗余設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)工作，以進(jìn)一步提高元器件質(zhì)量等級。

3.1.3 可靠性仿真

可靠性仿真是對軍事裝備設(shè)計(jì)的一種可靠性分析與評估方法。通過對裝備的熱分布和振動應(yīng)力分布的仿真分析，明確找出裝備存在的設(shè)計(jì)缺陷，并對裝備完善和改進(jìn)設(shè)計(jì)、解決可能導(dǎo)致故障的各種設(shè)計(jì)缺陷，并最終提高裝備的可靠性具有建設(shè)性的指導(dǎo)作用。

圖1 可靠性仿真試驗(yàn)流程

可靠性仿真工作一般應(yīng)用與裝備的初級設(shè)計(jì)階段，亦可應(yīng)用于裝備可靠性增長階段?？煽啃苑抡嬉话惴譃槲鍌€(gè)步驟，流程圖如圖1所示。

通過某裝備電源模塊振動應(yīng)力的可靠性仿真試驗(yàn)案例，說明可靠性仿真試驗(yàn)對裝備設(shè)備的指導(dǎo)作用。表1分別說明了一階、二階和三階模態(tài)[7～8]下，電源模塊的諧振頻率點(diǎn)及產(chǎn)生最大位移點(diǎn)的位置，圖2為三階模態(tài)仿真分析結(jié)果。

表1 電源模塊諧振頻率及位置

圖2 電源模塊三階模態(tài)分析結(jié)果

表1、圖2表明了裝備電源模塊存在的設(shè)計(jì)缺陷，裝備根據(jù)仿真結(jié)果對電源模塊進(jìn)行了加裝冷板、改變大型元器件安裝方式等設(shè)計(jì)措施，解決了該設(shè)計(jì)缺陷。

3.2 抗溫度環(huán)境的應(yīng)對措施

為保證裝備在規(guī)定的溫度環(huán)境下正常工作，主要采用降額、余度和散熱等設(shè)計(jì)措施，現(xiàn)介紹如下：

3.2.1 降額設(shè)計(jì)

降額設(shè)計(jì)是適當(dāng)降低功能部件和元器件的使用應(yīng)力值，以確保功能部件和元器件在高溫、常溫和低溫環(huán)境下，參數(shù)特性發(fā)生漂移后的輸出特性不超出自身應(yīng)力范圍和不被損壞，從而保證裝備正常工作。例如裝備中使用的電阻器件應(yīng)對其功率進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，電容器件應(yīng)對其耐壓能力進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，晶體管應(yīng)對其功率及耐壓進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，集成電路應(yīng)對其驅(qū)動能力進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，電源模塊輸出功率應(yīng)大于裝備常溫實(shí)際使用功率的40%（在低溫環(huán)境下，裝備實(shí)際使用功率大于常溫使用功率的20%）。

3.2.2 容差設(shè)計(jì)

高溫、常溫和低溫環(huán)境下，由于元器件參數(shù)特性發(fā)生漂移，前級元器件輸出信號在時(shí)間、幅度、功率等方面將有一定的變化范圍，后級元器件應(yīng)能接收并正確識別前級元器件的具有一定的變化范圍輸出信號，從而保證裝備在各種溫度環(huán)境下正常工作。

3.2.3 熱設(shè)計(jì)

裝備中使用的元器件不同程度地?fù)p耗電能，并將電能轉(zhuǎn)化成熱能，該熱能將導(dǎo)致元器件溫度上升，并使元器件電參數(shù)發(fā)生變化，最終影響裝備的電性能。裝備研制過程中需開展如下各項(xiàng)熱設(shè)計(jì)措施：

·開展裝備熱分析工作，了解、掌握各分機(jī)的功耗和熱容量，并據(jù)此開展有針對性的熱設(shè)計(jì)工作；

·針對功耗和熱容量較小的分機(jī)，采用自然環(huán)境冷卻設(shè)計(jì)方式，機(jī)箱表面結(jié)構(gòu)應(yīng)采用易于散熱的結(jié)構(gòu)方式（例如暖器片結(jié)構(gòu)形式）；

·各功能模塊的印制板應(yīng)采用表面表貼金屬冷板的設(shè)計(jì)方式，元器件通過導(dǎo)熱絕緣膠與冷板緊密連接，確保元器件產(chǎn)生的熱量通過冷板傳導(dǎo)到機(jī)箱；

·功能模塊的安裝方式應(yīng)實(shí)現(xiàn)金屬冷板與機(jī)箱最大面積的接觸，以利于熱量通過冷板傳導(dǎo)到機(jī)箱；

·功能模塊設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理布置熱容量較大的元器件，不應(yīng)使其排布過于集中而不利于散熱，而使局部過熱，導(dǎo)致材料變形較大造成裝備故障。

3.3 抗振動環(huán)境的應(yīng)對措施

為保證裝備在規(guī)定的振動環(huán)境下正常工作，一般采用減振和抗振兩種設(shè)計(jì)措施。兩種設(shè)計(jì)措施可分別使用或同時(shí)使用。

3.3.1 減振設(shè)計(jì)

通過某種設(shè)計(jì)措施降低振源傳導(dǎo)到產(chǎn)品上的振動強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法為減振設(shè)計(jì)。減振設(shè)計(jì)一般應(yīng)用于惡劣的振動環(huán)境（惡劣環(huán)境減振設(shè)計(jì)與抗振設(shè)計(jì)措施應(yīng)同時(shí)采用），主要有如下兩種設(shè)計(jì)措施：

·通用設(shè)計(jì)方法是通過在振源與產(chǎn)品之間加裝減振器實(shí)現(xiàn)，該種設(shè)計(jì)措施的使用一般受裝備安裝空間的限制較大；

·在振源與產(chǎn)品之間加裝減振材料，該種材料通過吸收一定的振動強(qiáng)度來降低傳導(dǎo)到產(chǎn)品的振動強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)，該種設(shè)計(jì)措施一般受裝備安裝空間的限制較小。

3.3.2 抗振設(shè)計(jì)

不降低振源傳導(dǎo)到產(chǎn)品上的振動強(qiáng)度，而通過加固產(chǎn)品的方式提高產(chǎn)品抗振強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法為抗振設(shè)計(jì)。抗振設(shè)計(jì)一般應(yīng)用于相對較好振動環(huán)境中，主要有如下幾種設(shè)計(jì)措施：

·印制板設(shè)計(jì)一般應(yīng)采用印制板＋冷板的設(shè)計(jì)形式，主要作用是增加印制板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗振強(qiáng)度和散熱能力；

·應(yīng)合理排布元器件，對體積、重量較大的元器件應(yīng)合理分布，盡可能降低該類元器件和印制板模塊的重心；

·元器件安裝（主要是集成電路）應(yīng)通過導(dǎo)熱絕緣膠與冷板表面連接，主要作用是增強(qiáng)元器件耐振動強(qiáng)度，同時(shí)提高元器件散熱能力；

·元器件點(diǎn)封應(yīng)能提高元器件耐振動能力，體積較大的元器件應(yīng)通過點(diǎn)封膠與冷板表面連接并實(shí)現(xiàn)固定。點(diǎn)封膠應(yīng)點(diǎn)封于元器件主體部分（在振動過程，元器件對振動的響應(yīng)是元器件主體部分，而非元器件管腳），以增強(qiáng)元器件抗振動能力。

4 結(jié)語

近年我國裝備研制實(shí)踐表明，在裝備方案階段、研制階段及生產(chǎn)過程中，全面開展質(zhì)量控制與管理，開展一體化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)工作，注重可靠性分析工作對裝備設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，可以有效降低環(huán)境應(yīng)力對裝備質(zhì)量的影響，并全面提高裝備質(zhì)量。

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